面向地質工程專業的“機械設計基礎”課程教學創新與實踐

【摘" " 要】“機械設計基礎”是地質工程專業（巖土鉆掘方向）開設的一門專業基礎課程。在實際教學過程中存在與地質工程專業關聯性較小、學生學習積極性不高、教學與實踐分離等問題?；诖耍恼绿岢鲆氲刭|工程實際案例的教學方法，并結合開設的巖土鉆掘設備教學拆裝實習進行常用機構和零件的講授，讓學生在設計與實踐的一體化學習過程中深入掌握機械設計的基本知識，探索出一種與專業緊密結合的面向地質工程專業學生的“機械設計基礎”課程教學新形式。

【關鍵詞】“機械設計基礎”課程；地質工程專業；教學改革；工程實際

【引用格式】姜杰，楊健，霍宇翔.面向地質工程專業的“機械設計基礎”課程教學創新與實踐——以成都理工大學為例[J].黑龍江教育（理論與實踐），2025，79（2）：69-71.

【中圖分類號】G642.0" " " " " " " " 【文獻標識碼】A" " " " " " " " "【文章編號】1002-4107（2025）02-0069-03

一、引言

“機械設計基礎”是大部分工程學科非機械專業的一門重要的專業基礎課程。國內大多數高校的地質工程專業（巖土鉆掘方向）都將“機械設計基礎”作為專業基礎必修課程列入本科教學培養方案中?！皺C械設計基礎”是地質工程專業（巖土鉆掘方向）課程體系中一門具有承上啟下作用的課程，對學生今后在鉆掘設備課程的學習及解決實際裝備應用問題等方面具有重要作用[1-2]。因此，學好“機械設計基礎”課程對學生后續設備類課程的學習及今后從事相關工作都有十分重要的意義。

然而，“機械設計基礎”因內容繁雜，公式多，知識點分散，是近機類或非機類學生普遍反應較難學習的一門課程[3-5]。究其原因有以下幾方面：①針對應用型人才和卓越工程師的培養目標，大多數高校的地質工程專業（巖土鉆掘方向）培養方案和課程體系都有較大調整，其中“機械設計基礎”課程的理論學時一再壓縮，而該課程知識點廣泛，理論學時的減少勢必導致授課質量受到影響。②一般情況下，地質工程專業（巖土鉆掘方向）的“機械設計基礎”課程都是由機械專業的教師授課，遵循機械專業的教學體系，沒有根據地質工程專業（巖土鉆掘方向）的培養體系對該課程進行改進。③大多數授課教師沒有巖土鉆掘設備相關知識儲備，導致講授該課程時無法與地質工程專業（巖土鉆掘方向）進行很好的關聯，學生學習目的不明確。因此，亟須探究一種適用于非機械類專業和機械相關專業“機械設計基礎”課程理論教學的教學模式，以適應新工科培養方案的要求。

針對目前“機械設計基礎”課程理論教學存在的問題，課程團隊結合多年從事地質工程專業（巖土鉆掘方向）“機械設計基礎”課程教學的經歷，基于地質工程專業（巖土鉆掘方向）培養方案，通過結合后續開設的“巖土鉆掘設備教學實習”課程，將真實的XY-2鉆機拆裝后得到的常用機構和零部件作為“機械設計基礎”課程的案例進行教學，提高學生的學習興趣，使學生在有限的時間內掌握更多的理論知識。對比分析表明，針對近機類專業，采用這種教學方法的“機械設計基礎”課程的教學效果得到了有效提高。

二、地質工程專業“機械設計基礎”課程教學現狀分析

（一）教學要求與目的

“機械設計基礎”是地質工程專業（巖土鉆掘方向）一門重要的技術基礎課程，結合了“工程力學”“金屬工藝學”“公差與配合”等課程的基礎知識。學習機械設計的一些基本原理，可以為今后從事運維、工藝等工作的學生在運動的力學原理、機構的組成，以及常見的零部件結構等方面提供必要的基礎知識[6-8]。通過該課程的學習，學生能夠實現以下教學要求與目的。①能運用機械設計手冊、標準、規范等相關資料分析和設計簡單機構，并能確定簡單的機械運動學方案。②具備鉆掘設備的正確使用和簡單維護的能力，能夠對鉆掘設備的簡單機械故障進行識別并處理。③通過“機械設計基礎課程設計”“巖土鉆掘設備教學實習”等實踐課程的學習，學生能夠具備一定的動手實操能力。④對中國裝備制造業創新發展有所了解，激發愛國情懷。

（二）教學內容與方法

地質工程專業（巖土鉆掘方向）“機械設計基礎”課程的教學內容主要包括以下幾方面。①典型機構（如平面四桿機構、凸輪/齒輪機構等）的結構、動力學特征分析，常用鉆掘設備的典型機構實例分析及簡單設計方法教學等。②典型零件（如連接件、軸/軸承等）的結構、運動分析，常用鉆掘設備典型零件實例分析，以及軸設計的基本方法教學。③典型傳動系統（如齒輪傳動、帶傳動、蝸輪蝸桿傳動、鏈傳動等）的結構分析及在常用鉆掘設備上的應用實例等。在教學安排上，與機械類專業相比要求稍低，更注重對內容的一般性了解，尤其注重在鉆掘設備上的分析和應用。

三、地質工程專業“機械設計基礎”課程教學改革創新

地質工程專業（巖土鉆掘方向）“機械設計基礎”課程的培養目標和教學內容與常規機械專業的要求有較大不同，其更側重學生的實際應用能力。“機械設計基礎”課程通常在大二開設，為學生大三、大四學習“巖土鉆掘設備”“設備拆裝實習”等課程奠定基礎。學生在學習這門課程中存在適應較慢的問題?；谶@種情況，教師在教學過程中應針對地質工程專業的特點，結合地質方向常用的機械設備，如鉆井設備、巖土工程施工設備等，對教學方法進行不斷探索和優化，提高“機械設計基礎”課程的教學質量。

（一）提高與地質工程相關專業課程的聯系程度

地質工程專業（巖土鉆掘方向）男生人數占比高，普遍有較好的動手能力，在開始學習“機械設計基礎”課程時，對機械也有較大的興趣。隨著學習的深入，學生發現課程與專業的關聯程度不高，因而會對學習目的產生疑問，影響學習效率。因此，教師需要將該課程與學生專業結合起來，在講授“機械設計基礎”課程的同時，將其與鉆掘機械設備的用途融合在一起，讓學生明確該課程對相關專業的支撐作用，以此提高學生的學習積極性。例如，教師在講授平面連桿機構中的偏心輪機構時，可以結合BW-100型泥漿泵曲軸箱中的活塞運動機構進行講解，即控制BW-100型泥漿泵活塞運動機構就是曲柄搖桿機構中的偏心輪機構，偏心輪帶動連桿運動，從而推動活塞進行往復運動，使活塞與泵壁所夾的空間改變，從而吸入和壓出泥漿。通過講授鉆掘常用設備中泥漿泵的活塞機構，增加課程與專業的關聯性，對學生今后進行鉆掘設備的正確拆裝和工作后實際設備的操作都有很大的幫助。

（二）以專業實際應用為導向合理安排教學模式

由于“機械設計基礎”課程的知識面廣、知識點多，因此，教師需要在教學模式上與地質工程專業（巖土鉆掘方向）的特點和教學要求相結合，教學內容的制定、教學實例的選擇、教學方法的設計、常規機械設備在行業中的使用情況等各方面的設置，都盡可能貼近地質工程專業（巖土鉆掘方向）背景。教師應將專業的理論知識，如公式推導等學時適當壓縮，增加提高實際應用能力內容的學時。例如，教師在講解機械通用機構（平面連桿機構、凸輪機構、齒輪機構）的結構分析、運動特性分析時，可以結合地質工程專業（巖土鉆掘方向）的培養需求對其結構、工作原理及應用進行講授，對理論性較強的公式只需要關注公式中參數的含義及選擇方法即可；在講解機械零部件的時候，教師利用在“巖土鉆掘設備教學實習”中拆裝XY-2立軸式鉆機時拍攝的零部件照片和視頻進行講解，引入案例時側重點應放在相關的鉆探設備上，如常用巖土鉆掘設備、摩擦式離合器、卷揚機等，加強知識學習的連貫性及統一性，為學生后續專業知識的學習奠定基礎。

（三）采用靈活多樣的教學手段

1.充分利用現代化的教學手段

教師將在“巖土鉆掘設備教學實習”中拆裝XY-2立軸式鉆機時拍攝的大量關鍵零部件照片，以及錄制的主要部件的拆裝過程視頻整理后放入多媒體課件中，在課程教學時進行播放，增加課程與專業的聯系度，達到化繁為簡和化難為易的目的。以齒輪減速器為例，教師將鉆機分動箱的拆裝視頻通過多媒體方式進行展示，并對拆裝后的軸、雙聯齒輪、小弧齒錐齒輪等重要零部件的工作原理進行講解，使學生理解如何通過撥叉帶動雙聯齒輪將輪系進行不同組合，實現升降機的變速及減速。

2.虛擬仿真實驗教學

成都理工大學“機械設計基礎”課程依托成都理工大學地質與巖土工程國家級虛擬仿真實驗教學中心的地質鉆掘虛擬仿真實驗教學平臺進行教育教學[9]。該虛擬仿真實驗教學平臺采用多媒體動畫及媒體交互技術等多種VR（Virtual Reality，虛擬現實）技術，對大量常用鉆掘設備進行建模及裝配，主要包括鉆機（圖1）、動力機、鉆塔等，同時還錄入了主要設備的性能、特點及重要參數。在三維立體系統環境中，學生不但可以360°任意旋轉、全方位地觀看對應的鉆井裝置，而且還能將鉆機拆分成機械傳動部分、液壓傳動部分及機座部分，機械傳動部分還可以進一步拆分為離合裝置、變速裝置及升降裝置等。通過VR展示，學生不僅可以仔細觀察各主要部件的結構、機構組成，以及輔以的詳細參數介紹，而且可以對常用鉆掘設備有更直觀的認識，對后續專業課程的學習有良好的促進作用。

（四）理論結合實際的實踐教學環節

根據成都理工大學地質工程專業（巖土鉆掘方向）培養方案，“機械設計基礎”課程配套有“機械設計基礎課程設計”和“巖土鉆掘設備教學實習”2個相關實踐課程。其中，“巖土鉆掘設備教學實習”通過對典型設備（XY-2立軸式鉆機和BW-100型泥漿泵）的拆裝、測量，以及讀裝配圖，加強學生對機械設備的結構組成、工作原理和拆裝程序等相關內容的了解。“機械設計基礎”課程教學中運用了大量拆裝實習中的案例來進行教學，因此，學生對拆裝設備中常用機構和零部件的工作原理、運動學原理都有一定程度的了解，再進行“巖土鉆掘設備教學實習”時能很快建立設備裝配圖與實際零部件之間的關聯及裝配關系。教師通過“機械設計基礎”理論課程和實踐課程的相互配合，幫助學生深入了解巖土鉆掘設備。

四、教學效果對比

為驗證實際的教學效果，教師對比分析了新教學模式下成都理工大學地質工程專業（巖土鉆掘方向）2020級學生與采用常規機械專業教學方法的2019級學生的“機械設計基礎”及“巖土鉆掘設備教學實習”課程期末考試成績，如表1、表2所示。

可以看出，采用實際案例教學后，“機械設計基礎”課程期末考試成績80分以上的人數明顯增加，不及格人數也明顯減少。值得注意的是，“巖土鉆掘設備教學實習”課程期末考試成績優、良率也有一定程度的提高，驗證了該教學方法對“機械設計基礎”課程的教學及學生對后續相關課程的學習起到了積極作用。

五、結束語

綜上所述，對地質工程專業（巖土鉆掘方向）的學生來說，對“機械設計基礎”課程的關注點在于這門課程對今后的作用，以及和后續課程的相關性。在進行“機械設計基礎”課程教學時，教師應結合拆裝實踐教學的案例，將課程與鉆掘相關設備結合進行講授，才能使學生體會到機械在學科中的重要性和支撐作用，從而激發學生的學習熱情。對比實驗表明，該教學模式對“機械設計基礎”課程及后續相關課程的教學都起到了積極的作用。

【參" "考" "文" "獻】

[1]" 劉送永，劉后廣.礦業類機械設計基礎建設與改革[J].機械設計，2020，37（增刊2）：255.

[2]" 薛銅龍，姚亞昔，張曉輝.基于“身邊教學法”的機械設計基礎課程實驗設計[J].實驗技術與管理，2019，36（1）：21.

[3]" 陳厚榮.非機械專業“機械設計基礎”課程教學方法探討[J].西南農業大學學報（社會科學版），2012，10（5）：196.

[4]" 劉文武，侯國安，劉宏新.面向工程教育認證的“機械設計基礎”課程教學改革研究[J].黑龍江教育（理論與實踐），2020，74（2）：65-66.

[5]" 錢韋吉，莫麗.面向創新型人才培養的一流課程建設與探索：以“機械設計基礎”課程為例[J].黑龍江教育（理論與實踐），2023，77（8）：58-60.

[6]" 蔣丹，王麗偉.面向新工科人才培養的機械基礎課程改革探析[J].高等工程教育研究，2021（增刊）：56-57.

[7]" 陳硯，單泉，馬廉潔，等.新工科建設下機械設計基礎實驗教學改革及實踐[J].機械設計，2020，37（增刊 2）：242-244.

[8]" 滕兵.機械設計基礎教學研究[J].機械設計，2018，35（增刊2）：272-273.

■ 編輯∕丁俊玲